Mg-Li合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1-4]，其密度只有1.35~1.65g/cm3，比強(qiáng)度高于常用鎂合金，并且具有良好的冷、熱變形能力[5-8]。因此，近些年來在航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域受到重視，并得到了試驗(yàn)性應(yīng)用。由于這種合金強(qiáng)度較低，成為制約其進(jìn)一步應(yīng)用的主要障礙。
當(dāng)Li含量低于5.7%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)，合金是以Mg為基體的α相固溶體[9,10]，該系列合金雖然鋰含量較低，但其二元合金的強(qiáng)度依然不高。添加合金元素是一種提高合金強(qiáng)度的有效方法，Al和Zn是Mg-Li合金中常使用的合金化元素，研究表明[11]，Al含量在3%時(shí)，Mg-Li合金具有高強(qiáng)度的同時(shí)也保持著良好的塑形。Zn的含量較低時(shí)，強(qiáng)化效果不明顯，而含量過高又會(huì)增加合金的密度，且會(huì)增加合金在澆注過程中的熱裂傾向，因此Zn含量一般選擇2%左右[12]。Nd元素作為一種高效的合金化稀土元素被用于高強(qiáng)高韌鎂合金的開發(fā)，并取得了較好的效果[13]。牛高等人[14]研究了Nd元素對AZ91合金的改性結(jié)果表明，當(dāng)Nd含量為2.0%時(shí), 針狀的Al11Nd3相和塊狀的Al2Nd相是主要的Al-Nd相;Liu等[15]研究了Nd含量對Mg-8Li-Al三元合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響發(fā)現(xiàn)，Nd以Al2Nd相的形式存在，當(dāng)Nd含量為0.6%時(shí)，合金的晶粒細(xì)化效果明顯，晶粒尺寸最小。Li等[16]的研究表明，Mg-8Li-3Al合金的α相晶粒尺寸隨著Nd含量的增加而減小，當(dāng)Nd含量為1.6%時(shí)，α相的尺寸最小，合金中生成的Al2Nd分布在β相及其相界處，Nd對合金的拉伸強(qiáng)度和延伸率有良好的改善效果，然而過多的Al2Nd顆粒會(huì)造成位錯(cuò)塞積，在拉伸過程中成為了斷裂源，對合金的塑性不利。與鑄造鎂合金產(chǎn)品相比，變形鎂合金產(chǎn)品(如擠壓、鍛造、軋制)由于在塑性變形過程中消除了鑄造缺陷，細(xì)化了合金晶粒，可使合金的綜合性能大幅度地提高[17-20]。
本文主要對鑄態(tài)和擠壓態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd(x=0.4,0.8,1.2,1.6,2.0%)合金的顯微組織進(jìn)行了觀察，測試了不同Nd含量的合金在室溫下的拉伸性能。
1 實(shí)驗(yàn)材料及方法
實(shí)驗(yàn)使用的原料為純Mg(99.9%)、純Li(99.9%)、純A1(99.9%) 、純Zn(99.9%)和Mg-Nd中間合金(Nd含量為19%)。在真空感應(yīng)熔煉爐中使用氬氣保護(hù)熔煉，澆鑄成塊狀和棒狀的合金鑄錠。塊狀合金用于鑄態(tài)組織及性能研究，棒狀合金經(jīng)車削加工成Φ50mm鑄棒用于擠壓加工。在擠壓前將鑄錠加熱至370℃保溫3h，擠壓筒加熱到280℃，將合金放入Φ58 mm內(nèi)孔的擠壓模具內(nèi)進(jìn)行正向熱擠壓，擠壓后棒材直徑為Φ14 mm。
按照標(biāo)準(zhǔn)金相試樣方法制備的試樣使用耐水砂紙打磨至2000目，接著機(jī)械拋光到表面光亮，然后使用金相腐蝕液(鑄態(tài)合金使用腐蝕液是4vol.%的硝酸酒精;擠壓態(tài)合金使用的腐蝕液成分是：0.2g苦味酸+50ml酒精+2.5ml乙酸+5ml蒸餾水)侵蝕后在Leica DMIRM金相顯微鏡上觀察合金的顯微組織。合金相成分分析在TTRⅢ Rigaku型的X射線衍射儀上完成。在Camscan MX2600FE型掃描電鏡及OXFORD能譜儀上進(jìn)行合金高倍顯微分析以及微區(qū)成分的測定。按照國標(biāo)GBT4338-2006《金屬材料拉伸試驗(yàn)》制備試樣后, 在CMT-5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，恒定應(yīng)變速率為10-2s-1 。每種樣品的拉伸試驗(yàn)均重復(fù)3次，文中的抗拉強(qiáng)度和延伸率的結(jié)果均為3次測試后的平均值。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1合金的顯微組織
鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的基體是以α-Mg基體的固溶體(圖1)，合金中沿著晶界處分布著一些絮絲狀組織。在晶粒內(nèi)部還分布有一些蠕蟲狀(圖中A點(diǎn)指示)和顆粒狀(圖中B點(diǎn)指示)的金屬間化合物。
圖1鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金顯微組織照片
Fig.1 Microstructure of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd alloy
對Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金進(jìn)行固溶處理后的顯微組織如圖2所示。固溶處理后，合金的晶界清晰可見，為準(zhǔn)確測量晶粒尺寸提供了便利。合金中原本存在的絮絲狀化合物消失，少量的黑點(diǎn)狀和蠕蟲狀化合物仍然存在。使用截線法測量的晶粒尺寸如圖3所示，結(jié)果表明，隨著稀土Nd含量的增加，合金的晶粒尺寸整體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。
圖2 鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金固溶處理后(380℃，2h)的顯微組織照片
Fig.2 Microstructure of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloy after solid solution treatment at 380℃ for 2ha (x=0), b (x=0.4), c (x=0.8), d (x=1.2),e (x=1.6),f (x=2.0)
圖3平均晶粒尺寸測量結(jié)果
Fig.3 Average grain size of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys (x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
圖4是擠壓態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金的顯微組織照片。合金在熱擠壓過程中，發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了大量且均勻的等軸晶，晶粒得到了細(xì)化。隨著Nd含量的增加，合金中黑色絮絲狀組織逐漸變少，當(dāng)加入2.0%時(shí)，該相在合金中消失，鑄態(tài)合金中存在的蠕蟲狀和顆粒狀化合物在擠壓過程中被擠碎成細(xì)小的顆粒，它們彌散分布在合金中。
圖4擠壓態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金的顯微組織(垂直擠壓方向)
Fig.4 Microstructure of as-extruded Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys (perpendicular to extrusion direction) (x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
2.2合金的物相
圖5是鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金XRD圖譜。在N2和N3號合金中有AlLi相的峰，繼續(xù)增加Nd含量后，AlLi相衍射峰變?nèi)酰踔料?。而Al11Nd3 和Al2Nd的衍射峰明顯增強(qiáng)。這應(yīng)該是由于Nd元素在合金中達(dá)到極限固溶度后，剩余的部分與Al生成了Al-RE金屬間化合物。
圖5鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd合金XRD圖譜
Fig.5 XRD patterns of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd: x=0.4–2.0wt. %
N2 (X=0.4),N3(X=0.8),N4(X=1.2),N5(X=1.6),N6(X=2.0)
圖6是對鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的SEM和EDS分析。在合金中選取了圖中箭頭標(biāo)注的位置進(jìn)行了EDS分析，該點(diǎn)的Al與Nd原子數(shù)比為25.48:10.26(表1)，接近2:1，結(jié)合XRD的分析結(jié)果，可以判定此相為Al2Nd。在掃描電鏡下可以清晰地看出該化合物的形貌特征為方塊狀。
圖6 鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd合金的SEM和EDS分析
Fig.6 SEM and EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-1.2Nd alloy
表1 EDS測試的元素含量
Table.1 The element content testing with EDS
圖7是對鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd合金的SEM和EDS分析。在合金中選取了圖中箭頭標(biāo)注的位置進(jìn)行了EDS分析，該點(diǎn)處的Al與Nd原子數(shù)比為9.41:2.86(表2)，接近11:3，結(jié)合XRD的分析結(jié)果，可以判定此相為Al11Nd3，并可以觀察出其形態(tài)為細(xì)針狀。
圖7鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd合金的SEM和EDS分析
Fig.7 SEM and EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-2.0Nd alloy
表2 EDS測試的元素含量
Table.2 The element content testing with EDS
對鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd合金中絮絲狀化合物進(jìn)行的面掃描，如圖8所示。通過測試發(fā)現(xiàn)，該絮絲狀的化合物中Al元素的含量很高，可以認(rèn)為是含Al元素的化合物。結(jié)合XRD的測試結(jié)果，可以判定其為AlLi相。
圖8鑄態(tài)Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd合金中各元素的面掃描測試
Fig.8 EDS analysis of as-cast Mg-5Li-3Al-2Zn-0.4Nd alloy
(a)SEM image,(b)mapping of Mg element,(c)mapping of Al element,(d)mapping of Nd element,(e)mapping of Zn element
2.3合金的力學(xué)性能
圖9是對不同Nd含量合金的室溫準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸結(jié)果。鑄態(tài)和擠壓態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度隨著Nd含量變化的趨勢基本相同(圖9a)。當(dāng)Nd含量在1.2%時(shí)，鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值(195MPa)，而擠壓態(tài)合金是在Nd含量為0.8%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值(281MPa)。擠壓變形后，合金的最大抗拉強(qiáng)度大約提高了42.6%。圖9b的結(jié)果表明，擠壓態(tài)合金的延伸率明顯高于相對應(yīng)的鑄態(tài)合金。擠壓態(tài)最高的延伸率為26.4%，而鑄態(tài)最高的延伸率僅為17.8%。合金在擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細(xì)化，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度和塑性得到顯著提高。
圖9不同Nd含量合金的力學(xué)性能
Fig.9 Mechanical properties of Mg-5Li-3Al-2Zn-xNd alloys(x=0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0)
(a)tensile strength,(b) elongation
3 分析討論
在Mg-Al合金中加入RE后，RE會(huì)優(yōu)先與Al形成Al-RE化合物，在Mg-Li合金中也存在同樣的規(guī)律[11,23]，無論是從元素間形成化合物的電負(fù)性[11,21,23]還是從熱力學(xué)計(jì)算[22]都已經(jīng)證明了這個(gè)結(jié)論。從而也就解釋了隨著Nd含量的增加，合金中AlLi相不斷減少，甚至消失。由于合金中同時(shí)有Al2Nd和Al11Nd3 相形成，而在加入稀土Y元素的研究中合金內(nèi)僅形成Al2Y這一種相[23]，因此，本文的結(jié)果說明在Mg-Li合金內(nèi)加入Nd時(shí)，Nd的行為與Y不完全類似，有必要對Al11Nd3 相形成進(jìn)行探究。
從Al-Nd二元相圖[24]中可以看出Al2Nd相最高熔點(diǎn)是1460℃，Al11Nd3相是液態(tài)相與Al2Nd在1235℃通過包晶反應(yīng)形成的。950℃是α-Al11Nd3和β-Al11Nd3同素異形體的轉(zhuǎn)變溫度。合金在熔煉過程的溫度遠(yuǎn)低于1235℃和950℃，因此，在該合金制備過程中沒有發(fā)生包晶反應(yīng)。從相圖的富Al端可知，合金在凝固的過程中應(yīng)該生成的是Al11Nd3，并且是α-Al11Nd3。
本實(shí)驗(yàn)的XRD測試中也發(fā)現(xiàn)，在圖5的N5中出現(xiàn)了比較弱小的Al2Nd的衍射峰，并且隨著Nd含量的增加，其衍射峰強(qiáng)度也在增加。分析認(rèn)為，只有Nd元素含量高時(shí)，合金在凝固過程中局部溶質(zhì)原子的富集程度才能達(dá)到滿足生成Al2Nd的要求，否則，就會(huì)先形成Al11Nd3 。在牛高等人的研究[14]中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nd含量超過2.5%后Al2Nd才成為了合金中主要的Al-RE相。另外，也有研究表明[25]，Al11Nd3相通過高溫蠕變反應(yīng)可以分解出Al2Nd。
4.結(jié)論
(1)Nd對鑄態(tài)合金有顯著的晶粒細(xì)化效果。
(2)隨著Nd含量的增加，合金中除了有針狀的Al11Nd3稀土化合物外，還有塊狀的Al2Nd出現(xiàn)。
(3)合金中Nd的添加量為1.2%時(shí)，鑄態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到195MPa，延伸率達(dá)到17.20%;擠壓態(tài)合金在Nd添加量為0.8%時(shí)拉伸性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到281MPa，延伸率達(dá)到26.4%。
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作者簡介： 孫強(qiáng)，男，1977年出生，畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)材料工程專業(yè)，工學(xué)碩士，高級工程師，東北輕合金有限責(zé)任公司工程建設(shè)指揮部主任。
聲明：
“稀土Nd對α相Mg-Li合金的顯微組織和拉伸性能的影響” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：東北輕合金有限責(zé)任公司
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